产业系统物质循环水平测度研究——环境压力最小化视角

王磊 李慧明

（1.天津城建大学 经济与管理学院，天津300384；2.南开大学 循环经济研究中心，天津300071）

一、引言

20世纪90年代中后期，借鉴德国、日本等发达国家处理经济增长与环境压力之间矛盾的实践经验，将循环经济这一概念引入中国，成为落实科学发展观，统筹人与自然和谐发展的重要途径。

国家“十二五”规划中也明确提出：大力发展循环经济，推动产业循环式组合，构筑链接循环的产业体系，实现资源产出率提高15%。2012年国家发展和改革委员会发布了《关于推进园区循环化改造的意见》，循环经济在产业领域正从典型示范逐步向面上推广。与此同时，产业循环经济发展过程中也出现了诸如循环经济产业链条硬性搭建，再生资源低水平综合利用，物质循环过程中二次能源、物质投入过大，甚至出现了为了“循环”而“循环”的窘境，这不仅与发展循环经济的目标相违背，甚至增加了区域环境污染排放与资源消耗。循环经济的核心是物质的循环利用，这不仅包括物质在经济系统内的不断循环利用，而且还包括经济系统与自然生态系统之间的物质的良性循环［1］。换言之，这种物质循环是以技术创新为基础，将废弃物其作为原料或产品重新应用于生产和消费环节中去，降低新原料和产品的投入，减少废弃物对环境的危害，是一种降低环境压力的物质循环利用，具体体现为物质通量的降低。根据美国环境经济学家克尼斯（Allen V.Kneese）所创立的经济过程中的物质平衡原理的阐述：“进入经济系统的物质输入量越少，输出到环境中的废物就越少，生态环境的质量也就越高，经济系统运行的可持续性则越强；反之，进入经济系统的物质输入量越多，输出到环境中的废物就越多，生态环境的质量也就越差，经济系统运行的可持续性则越弱”［2］。由此可见，经济系统中物质通量水平的高低决定了其所产生的环境压力的大小。由此可见，如何从环境压力最小化视角，用物质通量降低的标准科学准确地评价产业系统物质循环的水平已经成为促进产业循环经济深入发展的关键问题之一。

对于前期产业系统物质循环测度的研究主要包括四个方面：一是基于物质流分析角度开展产业系统物质循环测度研究。国外学者Seiji Hashimoto和 Yuichi Moriguchi（2004）从物质流分析的角度研究描述社会代谢物质循环指标，包括物质使用时间、物质使用效率、己用产品再生使用率（输入端）、已用产品再生率（输出端）、直接物质投入、国内过程输出等六个物质循环指标，评价物质循环水平［3］。国内学者诸大建、邱寿丰（2009）提出以资源生产率（资源投入/GDP）指标评价循环经济发展水平［4］。二是基于生命周期评价角度开展产业系统物质循环测度研究。高昂（2010）引入时间维度，界定“物质流时滞”概念，在分析环境系统与经济系统之间物质流动界面的基础上，建立了中短期时间尺度下的循环经济物质流单循环模型，从全周期的视角，利用模型中对物质流之间的质量平衡关系对物质运动规律进行分析［5］。李宁，丁四保（2011）基于LCA方法，建立了产业生态系统物质代谢过程与环境影响之间的关联，从动态过程调控物质代谢过程，维持产业生态系统的功能。三是特定产业或行业的循环经济发展水平评价研究［6］。于波涛（2007）采用专家打分法和人工神经网络相结合的双重计算方法，对林业产业循环经济水平开展评价［7］。杜春丽，成金华（2009）采用数据包络分析模型，对我国钢铁产业循环经济效率进行了动态的总体分析和评价［8］。唐晓兰（2011）从经济属性和环境属性两方面建立评价指标体系，运用层次分析法确立区域主导产业循环经济等级［9］。郑季良（2012）将制造业分为上、中、下游三类产业，在绿色供应链管理环境下，通过设置权重变量，建立统一的制造业循环经济指标体系［10］。四是对产业系统物质循环过程环境压力的关注。国外学者Finn JT.（1976）、Hannon B.（1973）将里昂惕夫（Leontief W W.）的投入产出分析法最先应用到自然系统中物质和能流的分析中，更加全面分析自然生态系统的承载状态［11，12］。Bailey R.（2000）、Bailey R.，Bras B.（2004）拓展了投入产出分析的进一步的功能，主要体现在对流分析和环境变量分析两个方面，研究方法称为生态投入产出流分析法，该分析方法的基础来源于用物质流和能流对产业系统的物理结构进行定义［13，14］。

综上所述，前期研究中密切关注到物质代谢与循环经济的内在联系，在物质流分析框架下对循环经济水平进行测度，并倾向于通过全周期视角全面评价，但对于产业系统物质循环行为所造成的通量水平的测度和环境压力的关注较少。依据环境经济大系统的观点，一切经济活动的最终收益是服务，直接提供服务的是以各种形式存在的存量，存量是由通量来维持或增加的，但通量的大小决定了它所能维持的存量规模。由于通量来源于自然生态系统，人类经济发展与生态系统之间的作用关系，也主要是通过来自自然最终又返回自然的物质和能量的通量流动体现出来的，具体表现为资源能源的开采利用和污染物排放。因此，物质通量的大小决定了人类经济活动所引起的环境压力的大小。产业经济活动不是孤立的，物质以生产和消费链条为载体进行流动，物质循环也同时存在于多个部门，多个环节与多个阶段，已有的研究中对于产业系统中的隐形的物质通量没有进行全面计量，进而也忽视了对环境压力大小的进一步识别。国外学者提出的生态投入产出流分析方法，以传统的流分析复杂系统为特征，以此来描述物质、能量的循环水平，为本研究开展环境压力最小化视角下的产业系统物质循环水平测度提供了有益参考和借鉴。

二、现行的产业系统物质循环指标体系

（一）物质循环指标

一个体系包含了一种价值水平，例如，重量、废弃物或者每年城市地面下沉的英尺数，都是对一种价值水平的判断。对于产业系统中环境压力的关注的重要指标之一就是物质循环指标。国外学者 Wernickhe Ausubel（1995）构建了八类指标，旨在评价国家层面物质流的变化程度和显著趋势，进而判断对环境的影响。构建这一指标体系的目标是全面衡量国家层面的物质流水平。在这些一系列的指标之中，很多指标都与物质循环指标相关。其中的关键指标有三个：一是循环度指标，它等于原始投入量与总物质投入量的比值；二是金属回收率指标，它等于循环金属消耗量与总金属消耗量的比值；三是副产品回用率指标，它等于副产品回用量与总产品量的比值［15］。这三种指标的设计都是用于测度物质使用效率和物质循环水平。

Wernickhe Ausubel的三类指标其中有两类应用于产业系统物质流分析之中。一是循环度指标（见式（1）），循环度指标越高，表明产业系统内部物质循环的量越大。循环度指标被广泛用于汽车产业和造纸产业，测度新的产品组分中循环物质的量。金属的循环率指标是循环度的一项具体指标。

回用率指标表示回收利用的物质量占生产和消费物质总量的比例。该指标重在测度回收利用量的大小，其数学表达式见式（2）。

图1为产业系统物质循环利用模型，这种简化的产业系统物质流动关系清晰地显示出循环度指标与回收利用率这两类指标的区别。物质投入中物质循环利用来自于两个单元，即生产单元和消费单元。消费前的废弃物直接回到生产单元，消费后的废弃物从消费单元重新回到生产单元。最终废弃物是指经过生产单元和消费单元都没有回用，而最终排放的物质。产品的循环度等于消费前和消费后的废弃物回用量占产品总物质投入量的比例。循环度指标表明了产品生产过程中废物流的大小，即废物回用总量对总物质投入替代量的大小。回收利用率则关注的是产品的消费，回收利用率等于废旧产品的回用量占消费总量的比例。基于产品生产领域的产品循环度指标和基于产品消费的回收利用指标是构建投入产出指标的重要基础。

图1 现行产业系统物质循环利用概念模型

Hashimoto和Moriguchi在物质循环测度领域的研究成果丰富［3］。（1）提出了六种关于物质循环的指标，大致可以归结为废旧产品的再利用、副产品的利用和废旧产品的再生三大类，每一类分别用物质使用效率、回用的废旧产品使用率和再生产品使用率进行评价。（2）提出将使用直接物质投入量（DMI①直接物质投入量（DMI）：国内资源开采量＋进口资源量，衡量经济发展中生产和消费所需要的物质投入总量。）和国内加工产出（DPO②国内加工产出（DPO）：国内经济活动的总物质量，主要用于生产、加工制造、使用以及最终处理。出口的资源和产品不包括在内，因为出口的资源和产品的最终处理是在其他国家。）作为衡量物质循环的指标。然而，DMI和DPO指标的变动受到包括物质循环在内的诸多因素的影响，因此，DMI和DPO只能作为对物质循环测度的替代型指标。（3）提出了物质使用时间（Material Use Time，MUT）这一物质循环的关键指标。他们认为将MUT作为衡量废旧产品回收利用效率的重要指标，物质循环的测度着眼于产品和产品组分的长期利用。尽管Hashimoto和Moriguchi认为他们所提出的MUT指标是令人信服的，但是MUT指标仍然属于对物质循环的间接测度，测度的是循环的效应或者效果，而不是物质循环量本身。而对环境压力最小化的目标而言，更应关注的是物质循环量的衡量，而不是关注物质循环的方式。

（二）质量型物质代谢指标

产业系统中，前期关于物质流动的指标，不仅仅关注物质本身，而是把物质流与其他指标关联起来进行评价，强调物质代谢的质量。产业生态学先驱 Ayres R U.（1994）在物质流分析的基础上提出了两种产业代谢效率的测度指标，即循环比例（Fraction recycled）和物质生产力（Material productivity）［16］。循环比例（Fraction recycled）等于物质循环量占系统中潜在的可循环物质量的比例。物质生产力（Material productivity）等于单位物质投入的经济产出量。循环比例指标和物质生产力指标的提高意味着整个产业体系效率的提升，是物质循环质量的体现。这两个指标分别都包含了对于价值的衡量：潜在的可循环物质量由事实和经验两个方面共同决定；经济产出用于衡量一定物质投入所产生的经济价值的大小，用货币（美元）来衡量。这两种指标都是包含物质使用产生价值衡量在内的指标，体现了物质代谢的质量。物质使用强度（IU）是另一类质量衡量指标（Cleveland和 Ruth，1999）［17］。IU指标是物质生产力指标的倒数，用于衡量单位经济产出所消耗的物质量的大小。

（三）现行的产业系统物质循环指标体系的局限性

（1）物质循环指标主要是应用终端截面数据计算物质的循环水平，即只对某一过程中直接物质循环量的计算，忽视了间接物质循环量的计算、隐形的物质循环量的测度。例如物质循环度指标主要考虑某一时期，消费前和消费后废弃物的总回用量占产品总物质投入量的比例，而忽视了此过程中每一个环节重复流动的物质循环量，应用此类指标进行物质循环水平的测度会造成测度结果偏低。

（2）质量型物质代谢指标将物质利用与经济变量结合起来，跨越了物质和经济两大领域，以价值为依托的物质测度指标在实践中应用性很强。但这类指标的局限性在于忽略了物质（能源）循环过程中引致的资源、能源的二次投入所增加的环境压力。正如著名经济学家尼古拉斯·乔治斯库-罗根所提出的“第四定律”：“完全循环利用是不可能的，即使是最有效的循环利用过程，也将产生一些高熵废弃物，经济生产和消费过程中能量的耗散以及废弃物的产生是无法避免的，废弃物中的有效能不可能降低为零。”因此，应用此类指标进行物质循环水平的测度，往往会将物质循环过程中的二次投入的添加物质，即协同循环物质的量计算在物质循环量之中，导致测度结果偏高。

因此，对于产业物质循环水平的测度，应以物质通量的测度为标志，既关注产业系统宏观的直接物质循环量，又注重产业系统内部，不同部门和环节之间的间接物质循环量，进一步厘清循环过程中的添加物质的数量，构建环境压力最小化视角下的物质循环评价方法体系，准确考量产业系统循环经济发展水平。

三、环境压力最小化视角下的产业系统物质循环测度体系

本研究应用由 Finn（1976）提出，Bailey（2000）进一步地完善生态投入产出流分析方法，进行环境压力最小化视角下的产业系统物质循环测度研究。

（一）数学推导

Hi表示第i个过程，fij表示Hj向Hi过程流动过程中的实物流。y0j表示从Hj过程的实物流出。zi0进入Hi过程的实物流入。

Hj过程的通量流（通量流）用Tj来表示，定义为所有流入流和流出流的总和。

式（3）中，说明具体过程中实物流积累的变化，但是还不能得出循环的数值和指标。投入产出流分析的关键一步是将每一过程中每一份流入量描绘成那一过程的全部通量流的百分比。这个百分比用来表示，其定义如式（4）所示。

将式（4）带入式（3）可得，通量流的表达式为

式（5）转化为矩阵形式如式（6）所示，首项代表转置向量。

对T求解得

N＊被定义为

N＊称为生态系统的结构，代表了与系统各个组成部分相关的直接和间接物质流动。同时N＊又是一个传递闭包矩阵（transitive closure matrix），能够说明系统中直接和间接物质流动的独立路径，还可以诠释该过程中不同路径的物质流动彼此之间的相互关系。

式（9）中，（Q＊）n代表系统中路径长度为n的一系列的物质流动。首项I为单位矩阵，代表系统中全部初始物质流。第二项Q＊代表全部直接物质流，第三项（Q＊）2代表路径长度为2的所有间接物质流，第四项代表所有路径为3的所有的间接物质流。全部直接和间接物质流都是N＊的解释变量。因此，可以从N＊包含的所有直接和间接物质流中分离出物质循环的信息，实现对直接和间接物质循环量的测度。

（二）测度指标

本研究中，从传递闭包矩阵N＊中提取物质循环指标。生态投入产出分析中将凡是在系统中发生过至少一次或一次以上循环的物质流动，作为测度的范围。两个主要的投入产出物质循环指标是循环效率（REk）和循环指数（CI）。

循环效率（REk）是指在每一个Hk的过程中，再次通过Hk至少一次以上的物质流占通量流（Tk）的比例。换言之，循环的物质流占总通量流的比例。当循环效率＝0.5时，表明在此过程中，所有物质流仅通过一次。当循环效率＝0.5时，表示在此过程中，再次通过的物质流占总物质流的50%。循环效率通过矩阵N＊的对角元进行计算，即

表示Hk过程中的物质流再次通过Hk一次，但不再回到Hk。当大于1，的差额表示再次通过Hk一次以上的物质流。

由于循环效率代表了循环流占总物质流Tk的比例，因此，REk与Tk的乘积表示Hk过程中循环流的数量，即

当产业系统的总物质流被定义为式（12）时，则系统的循环指数表示循环流的数量与总物质流的比值，如式（13）所示

循环指数（CI）是无量纲数值，其大小范围介于0，1之间。当其等于0时，表示系统中不存在物质循环，当其等于1时，表示系统中的物质流完全被循环。循环指数是应用传递闭包矩阵和循环效率来衡量产业系统中物质循环总体水平的重要指标。国外学者（Bailey，2000）在此基础上，又将循环效率按照所在部门的不同，分为消费循环效率（REc）和生产循环效率（REp）。当存在一系列的消费过程，即 Hu，u＝1，…，m，存在一系列生产过程Hp，p＝1，…，g时，则消费循环效率（REc）和生产循环效率（REp）可以被定义为式（14）和式（15）。当REc增加时，表示再次进入消费部门的物质流增加，当REp增加时，表示再次进入生产部门的物质流增加。

一般来说，循环指数（CI）的增加，意味着进入到产业系统中新的物质投入量降低，物质流动对环境的影响较小。

四、两种产业系统物质循环测度模式的比较分析

（一）内涵比较

基于生态投入产出的物质循环测度指标是建立在传递闭包矩阵基础之上，全面考虑系统中的直接和间接物质循环流。与现行的产业系统物质循环体系（见图1）不同的是，环境压力最小化视角下的产业系统物质循环测度体系建构了四类物质循环模型，如图2所示。H1表示生产过程，H2产品消费过程。对于模型A和模型B而言，包括物质循环流在内的所有物质流都直接影响到系统中的每一个过程。因此，物质循环量的大小都等同于不考虑间接物质循环流时的结果。对于模型C和D模型而言，物质循环流只影响到生产或者消费其中一个过程，因此循环度和回收利用率两项指标不能充分地反映物质循环流在整个产业系统中的水平，具体的计算比较如表1所示。

图2 物质循环经验模型图

表1 两种产业系统物质循环测度指标公式比较

（二）测度结果比较

对于更加复杂一些的系统而言，间接物质循环流的效应将愈加明显，与现行的产业系统物质循环指标的结果区别较大。对于REc和REp没有在表1中进行比较，其公式与现行物质循环指标回收利用率公式相同，但这并不意味着两个指标的内涵也相同，其根本原因是文中举例进行研究的系统过于简单，系统变得越复杂，两者的区别将越明显。

如图3所示，该案例根据 Graedel TE，Allenby BR.（1995）提出的产业生态系统模型（Ⅱ）为基础构建，模型中数值为假设数值［18］。H1为原生物质进入产业系统的物质过程，H2为生产过程，H3为消费过程，H4为循环过程。其中废弃物由物质过程中产生、生产过程和消费过程三个环节产生。由物质过程产生的物质流，经过生产过程、消费过程、循环过程最终回到物质过程，形成循环体系。

图3 产业系统物质循环模型

表2 两种产业系统物质循环测度指标数值比较

如表2所示，循环度数值等于进入系统中的循环物质量70吨/年与总的物质投入量（160吨/年）的比值。回收利用率数值等于通过消费部门回收的物质量（50吨/年）与消费部门总的物质投入量（100吨/年）的比值。结果显示，现行产业系统物质循环指标循环度（基于生产投入）为43.8%，回收利用率（基于消费投入）为50%，这两个数值与基于投入产出法计算得来的REp（36.7%）和REc（32.6%）存在较大的 差别。背后的原因：循环度指标计算主要是消费前物质循环量与消费后的物质循环量加总与总物质投入量的比值，而REp是消费前物质循环量与总物质投入量的比值，计算范畴有所不同，换言之，循环度（43.8%）中，有36.5% 是消费后的物质循环量与总物质投入量的比值，有7.3%是消费前物质循环量与总物质投入量的比值。

同时也注意到，循环度指标中消费后的物质循环量与总物质投入量的比值36.5%，大于REc（32.6%），主要的原因是：在循环过程中的原生物质投入量（10吨/年）也作为循环物质量计算进去了，而实际上其不属于物质循环流的范畴。勿容置疑，在循环利用过程中，需要加入其它的原生物质，例如添加剂，才能具备循环利用的条件，这种作用关系称作“协同循环”作用。但是如果所添加的原生物质量过大，会造成区域总量环境压力的进一步增加，失去了循环的意义。此外，间接物质循环流没有计入循环度的计算之中。

为了进一步说明消费前物质循环量对产业系统物质循环水平的影响，对原有的产业系统物质循环模型（图3）进行改动，改动后剔除了消费前的物质循环量（10吨），变成直接排放，整个系统形成单项闭路循环（见图4）。值得注意的是，改动前后，消费后的物质循环度没有变化，仍为36.4%，而REp确降低了6.1%，REc降低了2%，这清晰的说明，现行的产业系统物质循环测度指标不能全面的测度产业系统的物质循环水平，间接地物质循环流的影响都体现在指标的变幅之中。现行的产业系统物质循环测度指标由于较少的关注到物质循环流的不同路径，进而忽视了间接物质循环流的计算。特别是对于一个复杂性较强的产业系统而言，现行的循环度和回收利用率指标已经不能全面、准确地测度物质循环利用水平。

图4 剔除消费前物质循环量的产业系统物质循环模型

五、结论

循环经济已经成为调控经济系统与生态系统之间通量的重要形式。实践中循环经济产业链条的构建、节能降耗的推进手段从根本上来说是通过调控进入到经济系统内部的物质代谢路径，实现物质循环或减物质化。通过阐述现行产业系统物质循环指标的类别与内涵，识别现行产业系统物质循环指标体系的局限性，提出应用生态投入产出流分析方法构建以物质通量的测度为标志的环境压力最小化产业系统物质循环指标体系，并从内涵和结果两个方面与现行物质循环指标进行比较，主要结论如下。

（1）在产业系统物质循环利用水平评价过程中，应以物质通量的流动作为标志，准确测度产业系统每一个环节中重复流动的物质循环量。关注消费后期废弃物循环的同时，加强关注消费前期的物质循环水平的测度。具体来说，既关注直接物质循环行为的同时，更应关注到物质循环流的不同路径，加强间接物质循环利用行为的测度。

（2）在物质循环过程中，存在大量的物质和能源二次投入，这些物质对于实现物质循环起到重要的协同循环作用，促成了物质循环行为的完成。与此同时，物质和能源的二次投入也增加了产业系统中的物质通量水平，使得物质循环水平测度水平偏高。因此，对于在物质循环的测度中，应将其使用量从物质循环量中剔除。

（3）二次投入物质的自身环境友好属性的强弱是会造成区域总量环境压力的进一步增加的潜在根源。因此，在选择和使用这些二次添加物时，不仅要以质量减量的原则进行减量添加，更重要的是，应选择环境友好属性强的物质进行添加，避免物质循环和替代环节的二次环境压力的产生。

（4）以物质通量的测度为标志的环境压力最小化产业系统物质循环指标体系构建，为科学准确的评价产业系统物质循环水平，客观考量循环经济示范工程、节能减排项目实施效果提供理论依据，同时为指导我国园区层面循环经济试点建设提供实践策略借鉴。

［1］李慧明，朱红伟等.论循环经济与产业生态系统之构建［J］.现代财经，2005（4）：8-11.

［2］（美）克尼斯，艾瑞斯，德阿芝著.经济学与环境［M］.马中译.北京：三联书店，1991：32-33.

［3］Seiji H，Yuichi M.Proposal of Six Indicators of Material Cycles for Describing Society’s Metabolism：From the Viewpoint of Material Flow Analysis［J］.Resources，Conservation and Recycling，2004，40（3）：185-200.

［4］诸大建，邱寿丰.作为我国循环经济测度的生态效率指标及其实证研究［J］.长江流域与环境，2008（1）：1-4.

［5］高昂，张道宏.基于时间维度的循环经济物质流特征研究［J］.中国人口资源与环境，2010（9）：13-17.

［6］李宁，丁四保.中国循环经济发展的空间分异与优化［J］.中国人口资源与环境，2011（5）：157-163.

［7］于波涛.林业产业循环经济的评价指标体系［J］.学术交流，2007（5）：131-134.

［8］杜春丽，成金华.我国钢铁产业循环经济效率评价：2003—2006［J］.产业经济研究，2009（5）：7-14.

［9］唐晓兰，程水源，滕滕等.循环经济型主导产业分级评价模型研究［J］.国土与自然资源研究，2011（3）：18-20.

［10］郑季良.制造业产业链循环经济指标体系统一模型研究［J］.科技进步与对策，2012（21）：59-63.

［11］Finn J T.Measures of Ecosystem Structure and Function Derived from Analysis of Flows［J］.Journal of Theoretical Biology，1976，56（2）：363-380.

［12］Hannon B.The Structure of Ecosystems［J］.Journal of Theoretical Biology，1973，41（3）：535-546.

［13］Bailey R.Input-Output Modeling of Material Flows in Industry［D］.Atlanta GA，George W.Woodruff School of Mechanical Engineering：Georgia Institute of Technology，2000：656-658.

［14］Bailey R，Allen J K.Applying Ecological Input-Output Flow Analysis to Material Flows in Industrial Systems：Part I：Tracing flows.［J］.Journal of Industrial Ecology，2004：8（1-2）：45-68.

［15］Wernick I K，Ausubel J H.National Material Metrics for Industrial Ecology［J］.Resource Policy，1995，21（3）：189-198.

［16］Ayres R U.Industrial Metabolism：Theory and Policy［J］.The Greening of Industrial Ecosystems.Washington DC：National Academy Press，1994：23-37.

［17］Cleveland C J，Ruth M.Indicators of Dematerialization and the Materials Intensity of Use［J］.Jour-nal of Industrial Ecology，1999，2（3）：15-50.

［18］Graedel T E，Allenby B R.产业生态学［M］.施涵译.北京：清华大学出版社，2004：156.